區別於傳統平面式 一文帶你了解超級結MOSFET

區別於傳統平面式 一文帶你了解超級結MOSFET

May 發表於 2017-08-25 14:36:20

基於超級結技術的功率MOSFET已成為高壓開關轉換器領域的業界規範。它們提供更低的RDS（on），同時具有更少的柵極和和輸出電荷，這有助於在任意給定頻率下保持更高的效率。在超級結MOSFET出現之前，高壓器件的主要設計平臺是基於平面技術。這個時候，有心急的網友就該問了，超級結究竟是何種技術，區別於平面技術，它的優勢在哪裡？各位客官莫急，看完這篇文章你就懂了！

平面式高壓MOSFET的結構

圖1顯示了一種傳統平面式高壓MOSFET的簡單結構。平面式MOSFET通常具有高單位晶片面積漏源導通電阻，並伴隨相對更高的漏源電阻。使用高單元密度和大管芯尺寸可實現較低的RDS（on）值。但大單元密度和管芯尺寸還伴隨高柵極和輸出電荷，這會增加開關損耗和成本。另外還存在對於總矽片電阻能夠達到多低的限制。器件的總RDS（on）可表示為通道、epi和襯底三個分量之和：

RDS（on） = Rch + Repi + Rsub

圖1：傳統平面式MOSFET結構

圖2顯示平面式MOSFET情況下構成RDS（on） 的各個分量。對於低壓MOSFET，三個分量是相似的。但隨著額定電壓增加，外延層需要更厚和更輕摻雜，以阻斷高壓。額定電壓每增加一倍，維持相同的RDS（on）所需的面積就增加為原來的五倍以上。對於額定電壓為600V的MOSFET，超過95%的電阻來自外延層。顯然，要想顯著減小RDS（on）的值，就需要找到一種對漂移區進行重摻雜的方法，並大幅減小epi電阻。

圖2：平面式MOSFET的電阻性元件

通常，高壓的功率MOSFET採用平面型結構，其中，厚的低摻雜的N-的外延層，即epi層，用來保證具有足夠的擊穿電壓，低摻雜的N-的epi層的尺寸越厚，耐壓的額定值越大，但是其導通電阻也急劇的增大。導通電阻隨電壓以2.4-2.6次方增長，這樣，就降低的電流的額定值。為了得到一定的導通電阻值，就必須增大矽片的面積，成本隨之增加。如果類似於IGBT引入少數載流子導電，可以降低導通壓降，但是少數載流子的引入會降低工作的開關頻率，並產生關斷的電流拖尾，從而增加開關損耗。

超級結MOSFET的結構

高壓的功率MOSFET的外延層對總的導通電阻起主導作用，要想保證高壓的功率MOSFET具有足夠的擊穿電壓，同時，降低導通電阻，最直觀的方法就是：在器件關斷時，讓低摻雜的外延層保證要求的耐壓等級，同時，在器件導通時，形成一個高摻雜N+區，作為功率MOSFET導通時的電流通路，也就是將反向阻斷電壓與導通電阻功能分開，分別設計在不同的區域，就可以實現上述的要求。

基於超結SuperJunction的內建橫向電場的高壓功率MOSFET就是基本這種想法設計出的一種新型器件。內建橫向電場的高壓MOSFET的剖面結構及高阻斷電壓低導通電阻的示意圖如圖3所示。英飛凌最先將這種結構生產出來，並為這種結構的MOSFET設計了一種商標CoolMOS，這種結構從學術上來說，通常稱為超結型功率MOSFET。

圖3：內建橫向電場的SuperJunction結構

垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間，當MOS關斷時，形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道，P和垂直導電N+形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大，並建立橫向水平電場；同時，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，產生寬的耗盡層，並建立垂直電場。由於垂直導電N+區摻雜濃度高於外延區N-的摻雜濃度，而且垂直導電N+區兩邊都產生橫向水平電場，這樣垂直導電的N+區整個區域基本上全部都變成耗盡層，即由N+變為N-，這樣的耗盡層具有非常高的縱向的阻斷電壓，因此，器件的耐壓就取決於高摻雜P+區與低摻雜外延層N-區的耐壓。

當MOS導通時，柵極和源極的電場將柵極下的P區反型，在柵極下面的P區產生N型導電溝道，同時，源極區的電子通過導電溝道進入垂直的N+區，中和N+區的正電荷空穴，從而恢復被耗盡的N+型特性，因此導電溝道形成，垂直N+區摻雜濃度高，具有較低的電阻率，因此導通電阻低。

比較平面結構和溝槽結構的功率MOSFET，可以發現，超結型結構實際是綜合了平面型和溝槽型結構兩者的特點，是在平面型結構中開一個低阻抗電流通路的溝槽，因此具有平面型結構的高耐壓和溝槽型結構低電阻的特性。

內建橫向電場的高壓超結型結構與平面型結構相比較，同樣面積的矽片可以設計更低的導通電阻，因此具有更大的額定電流值和雪崩能量。由於要開出N+溝槽，它的生產工藝比較複雜，目前N+溝槽主要有兩種方法直接製作：通過一層一層的外延生長得到N+溝槽和直接開溝槽。前者工藝相對的容易控制，但工藝的程序多，成本高；後者成本低，但不容易保證溝槽內性能的一致性。

超結型結構的工作原理

1、關斷狀態

從圖4中可以看到，垂直導電N+區夾在兩邊的P區中間，當MOS關斷時，也就是G極的電壓為0時，橫向形成兩個反向偏置的PN結：P和垂直導電N+、P+和外延epi層N-。柵極下面的的P區不能形成反型層產生導電溝道，左邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置，右邊P和中間垂直導電N+形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大，並建立橫向水平電場。

當中間的N+的滲雜濃度和寬度控制得合適，就可以將中間的N+完全耗盡，如圖4（b）所示，這樣在中間的N+就沒有自由電荷，相當於本徵半導體，中間的橫向電場極高，只有外部電壓大於內部的橫向電場，才能將此區域擊穿，所以，這個區域的耐壓極高，遠大於外延層的耐壓，功率MOSFET管的耐壓主要由外延層來決定。

圖4：橫向電場及耗盡層

注意到，P+和外延層N-形成PN結也是反向偏置形，有利於產生更寬的耗盡層，增加垂直電場。

2、開通狀態

當G極加上驅動電壓時，在G極的表面將積累正電荷，同時，吸引P區的電子到表面，將P區表面空穴中和，在柵極下面形成耗盡層，如圖5示。隨著G極的電壓提高，柵極表面正電荷增強，進一步吸引P區電子到表面，這樣，在G極下面的P型的溝道區中，積累負電荷，形成N型的反型層，同時，由於更多負電荷在P型表面積累，一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡的垂直的 N+，橫向的耗盡層越來越減小，橫向的電場也越來越小。G極的電壓進一步提高，P區更寬範圍形成N型的反型層，最後，N+區域回到原來的高滲雜的狀態，這樣，就形成的低導通電阻的電流路徑，如圖5（c）所示。

圖5：超結型導通過程

另外還有一種介於平面和超結型結構中間的類型，是AOS開發的一種專利結構，雖然電流密度低於超結型，但抗大電流衝擊能力非常優異。

圖6：介於平面和超結型結構中間的類型

超級結結構是高壓MOSFET技術的重大發展並具有顯著優點，其RDS（on）、柵極容值和輸出電荷以及管芯尺寸同時得到降低。為充分利用這些快速和高效器件，設計工程師需要非常注意其系統設計，特別是減小PCB寄生效應。超結MOS管產品主要有以下幾種應用：1）電腦、伺服器的電源——更低的功率損耗；2）適配器（筆記本電腦，印表機等）——更輕、更便捷；3）照明（HID燈，工業照明，道路照明等）——更高的功率轉換效率；4）消費類電子產品（液晶電視，等離子電視等）——更輕、更薄、更高能效。

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